Uwaga dla czytających w formie newslettera: objętość publikacji przekracza limit Gmaila (innych skrzynek mailowych zapewne też) – by poprawnie wyświetlić tekst oraz wszystkie ilustracje, otwórz artykuł bezpośrednio na Substack.
Wstęp
Każdy entuzjasta naukowej fantastyki przyzna, że powyższy dialog brzmi lepiej, niż gdyby fraza pani kapitan brzmiała „opuścić stanowiska, chowamy się do łazienek” (czemu akurat do łazienek wyjaśniam w cz. II). A co za tym idzie, jeśli prospekt relokacji do marsjańskiej bazy ma być kiedyś atrakcyjny dla szerokiego grona wysokiej klasy specjalistów (wśród których, naturalnie, występuje nadreprezentacja geeków), to – jak wskazują wszystkie poważne badania* – statki przyszłości powinny być możliwie wierną reprezentacją wyobrażeń miłośników Star Treka o podróżach międzyplanetarnych. Tarcze w formie „pola siłowego” są natomiast charakterystycznym atrybutem wszelkich, futurystycznych pojazdów kosmicznych.
*nie ma takich badań
Czy jednak takie koncepcje mają praktyczny sens w kontekście ochrony pasażerów przed promieniowaniem? Na tak postawione pytanie można odpowiedzieć wymijająco, formułując niekontrowersyjny wniosek, że tarcze aktywne na pewno nie są niezbędne.
Początkowo, załogowe statki międzyplanetarne wyposażone będą jedynie w „prymitywne” schrony (przy czym prymitywne nie musi oznaczać niekomfortowe, co zostało uargumentowane oraz obszernie zilustrowane we wcześniejszym wpisie), osłaniające astronautów przed potencjalnie groźnymi cząstkami – w przypadku np. misji na Marsa jest to w pełni wystarczające remedium na problem promieniowania.
W dłuższej perspektywie jednak – choć ta może się teoretycznie skrócić do np. 30-40 lat, biorąc pod uwagę potencjał rozwoju sektora New Space – tj. gdy ludzkość zacznie zapuszczać się na coraz dłuższe wojaże, bardziej pożądanym rozwiązaniem mogą się okazać systemy, zapewniające stałą ochronę nie tylko wszystkich pokładów statku, a nawet jego bezpośredniego otoczenia (np. instrumenty badawcze rozmieszczone na zewnątrz, wszak precyzyjna elektronika podatna jest na „choroby popromienne” podobnie jak organizmy żywe). Tym bardziej, że poza podróżami od punktu A do B, można sobie wyobrazić orbitalne stacje-bazy, w których mieszkańcy będą spędzać długie lata (a pamiętajmy, że ewentualne reperkusje zdrowotne promieniowania jonizującego oddalone są w czasie).
Otoczenie całej konstrukcji warstwą pasywnego ekranowania to jedna z dróg, a nie sposób też wykluczyć opracowania z czasem bardzo efektywnych w tej roli materiałów. Teoretycznie, statek/stacja nie musi też mieć okien – technologia już dziś pozwala na zastąpienie ich ekranami, przekazującymi obraz z rozmieszczonych na zewnątrz kamer. Takie rozwiązanie jest obecnie poważnie rozważane nawet przez producentów samolotów, gdyż pozwala uprościć produkcję kadłuba oraz zredukować jego wagę (oba te kryteria mają też kluczowe znaczenie dla zapowiadanej przez SpaceX, masowej produkcji Starshipa). Nie ulega wątpliwości, że potencjał do usprawnień w kategorii ekranowania pasywnego jest duży i występować będzie jeszcze przez wiele lat.
Niestety, w samym założeniu taki rodzaj ochrony daleki jest od idealnego. Pod wpływem ciągłego „bombardowania” wysokoenergetycznymi cząstkami, właściwości ekranujące dowolnego materiału degenerują się z czasem. Problem staje się tym istotniejszy, im dłużej statek pozostaje w przestrzeni międzyplanetarnej. W przyszłości zaś należy się spodziewać statków, które po opuszczeniu „stoczni” nie lądują nigdy – dalej przybliżam fizyczne podstawy technologii, jakie mogą na tego typu jednostkach stanowić komplementarne uzupełnienie pasywnego ekranowania.
Wpis stanowi kontynuację cyklu, w którym wyjaśniam naturę zjawiska promieniowania kosmicznego oraz przybliżam związane z nim ryzyka dla lotów załogowych poza pole magnetyczne Ziemi. Dla pełniejszego zrozumienia omawianych dalej kwestii, rekomenduję przeczytać najpierw poprzednie części.
Wyróżnić możemy trzy, główne rodzaje ekranowania aktywnego: elektrostatyczne, elektromagnetyczne (w przypadku którego należy dodatkowo wyróżnić pola ograniczone i nieograniczone/otwarte)oraz, najbliższe wyobrażeniom rodem z s-f za sprawą wizualnego podobieństwa do pól siłowych, plazmowe (wymagające najbardziej zaawansowanej technologii, leżącej jednak w naszym zasięgu, zakładając finansowanie).
Te da się następnie dzielić na podkategorie i roztrząsać niuanse techniczne, lecz celem moich artykułów jest „zredukowanie” skomplikowanych zagadnień naukowych do możliwie najbardziej przystępnej, zrozumiałej dla laika i jednocześnie ciekawej formy, co jednak stanowić będzie coraz większe wyzwanie, gdy weźmiemy na tapet „dekonstrukcję” futurystycznych tarcz antyradiacyjnych. Dlatego część detali zostanie z premedytacją pominięta, zaś istnienie pewnych problemów jedynie zasygnalizuję, gdyby czytelnik życzył sobie zgłębić je na własną rękę (subskrybentom służę literaturą uzupełniającą).
Ta część poświęcona jest wyłącznie tarczom elektrostatycznym – przygotujemy w ten sposób grunt pod porównanie ich zalet i wad ze „sztucznymi” polami magnetycznymi oraz systemami opartymi na uwięzionej przez nie plazmie (część czwarta niniejszego cyklu).
Tarcza elektrostatyczna
Pomysł wydaje się banalny: umieszczone na statku generatory utrzymują wokół statku ładunek elektryczny, który odpycha naładowane cząstki promieniowania kosmicznego. Metoda działa więc dokładnie odwrotnie, niż ten kot:
Gdyby Filemon1 na zdjęciu był statkiem kosmicznym, mógłby po prostu zmienić swój ładunek elektryczny i przemierzać bezkresne przestrzenie styropianowych kulek zupełnie bez szwanku. A gdyby ładunek był odpowiednio silny, te wręcz usuwałyby się mu z drogi.
Analogicznie, jeśli zamierzeniem inżynierów byłoby np. osłonić astronautów przed cząstkami GCR (promieniowanie docierające do nas spoza Układu Słonecznego – by dowiedzieć się więcej, przeczytaj poprzednie części mojego cyklu o promieniowaniu kosmicznym) o energiach do 500 milionów elektronowoltów (MeV), wystarczyłoby wygenerować ładunek o potencjale 500 megawoltów. Dodatkowo, cząstki o energiach wyższych zostałyby spowolnione przed uderzeniem w statek. W teorii brzmi więc bardzo dobrze i nawet trochę zbyt łatwo.
Właściwie, brzmi łatwo nie tylko w teorii, ponieważ mechanizm został z sukcesem (nawet większym, niż się spodziewano) przetestowany już pół wieku temu na radzieckim satelicie Kosmos 605:
Uwaga: obrazek jest hiperłączem do pobrania pełnego pliku .pdf z opisem eksperymentu. Satelita Kosmos 605, zwany też Biokosmos 1, wyniósł na orbitę m.in. parę tuzinów żywych szczurów i sześć żółwi – dygresja ta kończy udział niespodziewanych zwierząt w artykule.
Ale, jak łatwo się domyśleć, istnieje haczyk – na GCR składają się (w około 99%) protony i jądra atomowe (głównie helu), czyli cząstki o ładunku dodatnim. Tymczasem wiatr słoneczny obfituje też w elektrony – jakkolwiek mniej energetyczne, jest ich znacznie więcej niż protonów GCR.
Otoczenie statku silnym polem dodatnim spowodowałoby, że odpychający „efekt odwróconego kota” sprawdziłby się świetnie jako tarcza przed cząstkami GCR, lecz jednocześnie ujemnie naładowane elektrony byłyby przyciągane i dodatkowo przyśpieszane w naszym polu 500 MV, aż do nieuchronnego zderzenia z kadłubem.
Co prawda, uderzający w kadłub statku elektron, w przeciwieństwie do ciężkich jąder atomowych, nie jest w stanie przebić nawet cienkiego poszycia (brak mu siły penetrującej), lecz w przyrodzie nic nie ginie – energia elektronu musi być zachowana, stąd jego nagłe zatrzymanie skutkuje emisją fotonu. Pod ciągłym bombardowaniem, kadłub szybko więc zacząłby promieniować w zakresie rentgenowskim, czego praktycznym efektem byłoby „ugotowanie” załogi. Czyli znacznie gorzej, niż jakby pola „ochronnego” nie było wcale… Naturalnie, ktoś mógłby powiedzieć, że emitujący promienie X kadłub to jeszcze nie tragedia, ponieważ można je stosunkowo łatwo zablokować. Nie po to jednak wyposażyliśmy właśnie statek w futurystyczną tarczę aktywną, by wykreować konieczność równoległego, wielotonowego ekranowania przed promieniowaniem rentgenowskim. Tym bardziej, że przed uruchomieniem tarczy elektrony słonecznego pochodzenia nie stanowiły żadnego zagrożenia.
Podsumujmy zatem istotę problemu: skuteczna tarcza elektrostatyczna to taka, która nie przyciąga (nadając im przy tym wyższych energii) elektronów z całej okolicy wokół statku i jednocześnie odpycha, nieobojętne dla zdrowia astronautów, dodatnie jony promieniowania kosmicznego. Czy da się zatem jednocześnie odpychać od statku cząstki o ładunkach plus i minus?
Otóż da się, choć tu sprawa się nieco komplikuje. W celu odpychania cząstek o przeciwnych ładunkach, pole musi mieć strukturę „warstwową”, wielobiegunową – zadaniem zewnętrznej „warstwy” jest wyczyszczenie bezpośredniego sąsiedztwa statku, otaczając go swoistą „bańką” bez elektronów, by rozmieszczone bliżej statku bieguny dodatnie mogły następnie uporać się z protonami.
Budowa
Najprostszą konfiguracją, która spełnia powyższe wymagania jest tzw. kwadrupol liniowy.
Mógłby on zostać tak „dostrojony”, by filtrować większość cząstek promieniowania kosmicznego na trajektoriach kolizyjnych.
Jest to możliwe z uwagi na fortunną, pod tym względem, cechę promieniowania kosmicznego, a mianowicie energetyczną asymetrię między elektronami (niskie energie) i dodatnio naładowanymi cząstkami GCR (bardzo wysokie energie).
Obserwowany z oddali, statek generuje pole o właściwościach monopolu ujemnego – cały układ jest też lekko „na minusie”. Nie dopuszcza ono elektronów w pobliże umieszczonego w centrum bieguna dodatniego (podkreślmy, że pole przyśpiesza jednocześnie cząstki GCR, jednak tylko minimalnie, tj. nie stanowi to istotnej różnicy dla ich energii, ponieważ ta jest już duża „na wejściu”).
The Feasibility of Multipole Electrostatic Radiation Shielding [Metzger et al., 2004]
W zbliżeniu widać jednak, że skoncentrowane pole dodatnie odchyla wszystkie protony poniżej danego poziomu energetycznego. Jak wiemy z poprzednich wpisów, próby zatrzymania czy odchylenia wszystkich cząstek GCR są nierealistyczne – jest to prawdą tak dla ekranowania pasywnego, jak aktywnego. Przypomnijmy, że z najbardziej energetycznymi protonami nie radzi sobie nawet pole magnetyczne Słońca, później Ziemi, a na końcu i cała atmosfera (żeby przyjąć dawkę promieniowania z centrum Drogi Mlecznej, wystarczy wybrać się na spacer, najlepiej po górach), więc niektóre z nich przelecą przez elektrostatyczną tarczę jakby jej nie było. Nie zmienia to jednak faktu, że „odcięcie” 80% protonów przekłada się na mniej-więcej 5-krotną redukcję przyjmowanych przez załogę dawek promieniowania.
Inne koncepcje struktury wielobiegunowej zakładają otoczenie statku naładowanymi sferami (te mogłyby być dosłownie nadmuchiwane) – im wyższa różnica potencjałów, tym większa odległość konieczna jest do utrzymania ich relatywnych pozycji.
Rysunek niżej przedstawia jedną z potencjalnie możliwych konfiguracji – centralny obszar o średnicy 40 metrów chroniony jest przez 12 sfer, o ładunkach +300 MV i -300 MV. Całkowita średnica układu wynosi 320 metrów2.
Electrostatic Active Radiation Shielding – Revisited [Wilson et al., 2006]
Co ważne jednak, cząstki o energiach przewyższających wartość pola, zostaną przez nie spowolnione, czyniąc zastosowane na statku ekranowanie pasywne (jak omawiany szczegółowo w drugiej części cyklu o promieniowaniu płaszcz wodny) bardziej skutecznym.
Przykładowo, dla zobrazowanej wyżej konfiguracji (300 MV), cząstka o początkowej energii kinetycznej 6 GeV uderzyłaby w statek z energia 5,7 GeV (5% różnicy – rzecz jasna, procentowy poziom redukcji jest tym większy, im mniejsza różnica między ładunkiem pola a energią cząstki penetrującej). Pod tym względem, tarcza elektrostatyczna może jawić się jako przyszłościowe rozwiązanie uzupełniające w dużych jednostkach. Systemów aktywnych nie powinniśmy bowiem rozpatrywać jako alternatywy zastępującej ekranowanie pasywne, lecz jako pierwszą linię obrony, która „odciąża” poszycie statku.
Na marginesie…
Czytając o ogromnych statkach, wyposażonych w generatory pól elektrostatycznych czy elektromagnetycznych, wyobrażać trzeba sobie konstrukcje montowane na orbicie i niezdolne do ponownego wejścia w atmosferę. Takie jeszcze-hipotetyczne, nigdy-nie-lądujące statki zwane są cyklerami (ang. cycler, choć brak ogólnie przyjętego, polskiego odpowiednika terminu).
Wizja artystyczna: cykler utworzony z dwóch Starshipów, połączonych wyniesionym odrębnie hubem z portami do dokowania.
Poruszają się one po stabilnej orbicie, „zahaczając” cyklicznie o dwa wybrane ciała niebieskie (np. Ziemia-Mars) i pozostając w ich sąsiedztwie jedynie na krótki czas przelotu, który umożliwia „przesiadkę” na mniejsze jednostki, kursujące na linii planeta-cykler.
Główną zaletą koncepcji jest praktyczny brak ograniczeń co do masy i rozmiarów statku – o cyklerach można więc myśleć jako kosmicznych odpowiednikach luksusowych transatlantyków, w permanentnym rejsie międzyplanetarnym.
Idei cyklerów oraz ich mechanice orbitalnej poświęcony zostanie osobny wpis. Dodaj swój e-mail do listy subskrybcji, jeśli nie chcesz go przegapić.
Uważasz moje artykuły za wartościowe? Powiadom innych o ich istnieniu:)
Od strony technologicznej, wyzwania to m.in. maksymalne, możliwe do osiągnięcia napięcie dla danej wielkości układu oraz zadbanie, by promieniowanie UV ze Słońca nie rozładowywało zewnętrznej „warstwy” tarczy, poprzez „wybijanie” z niej elektronów. Dodatkową komplikacją w systemach złożonych z oddzielnych sfer jest aspekt ich wzajemnego pozycjonowania – logicznym rozwiązaniem wydają się elektryczne silniki jonowe (z ich pomocą ustawiają się na docelowych orbitach m.in. satelity Starlink), lecz tu pojawia się pewien szkopuł: zasada działania takich silników opiera się na znacznie mniejszej różnicy potencjałów niż występowałaby w obrębie tarczy (kilowolty vs megawolty). Oznacza to, że aktywna tarcza niwelowałaby wytwarzany przez silniki ciąg. Zdecydowanie nie jest to jednak problem bez wyjścia – w ostateczności, można po prostu wyłączać tarczę na czas dokonywania korekt w umiejscowieniu jej komponentów składowych czy manewrów statku.
Natomiast ewidentnym mankamentem jest w tym przypadku to, iż elektrostatyczna tarcza nie pełni żadnej, komplementarnej do ochrony przed promieniowaniem funkcji. Tak, jak przewaga H2O nad innymi formami ekranowania pasywnego wynika z faktu, że woda na statku i tak być musi (ochrona przed promieniowaniem jest więc w praktyce niemalże „bezwagowa”), systemy aktywne – ważące bardzo dużo – powinny, optymalnie, być możliwe do wykorzystania nie tylko jako tarcze. W przeciwnym wypadku nasuwa się naturalne pytanie, czy zwiększanie masy statku o wagę całej instalacji ma w ogóle sens – zwłaszcza, że masę tę można wykorzystać chociażby do zwiększenia grubości bardziej „przyziemnych” rodzajów osłon, np. zabierając dodatkowe zapasy wody.
Istnieją również pewne (niepotwierdzone) wątpliwości, dotyczące długofalowego pozostawania człowieka pod wpływem silnego pola elektrostatycznego. Jakkolwiek zagadnienie wymaga dalszych badań, prawdopodobnie, w ramach profilaktyki, statek musiałby zostać wyposażony w coś na kształt „kosmicznej klatki Faradaya”.
Dla formalności można też wspomnieć, iż na cząstki neutralne elektrycznie, opisany system nie działa wcale (stąd ekranowanie pasywne nie zostaje zastąpione).
Konkluzje
Idealne jest jednak wrogiem dobrego, a ochrona przed mniej energetycznym promieniowaniem (wiatr słoneczny) również jest wskazana – zwłaszcza w miejscach, w których ludzie mieliby przebywać w sposób ciągły. Wykorzystanie właściwości pola elektrostatycznego jest więc rozważane w koncepcjach baz księżycowych, gdzie rozmiary instalacji oraz stałe źródło prądu nie stanowią dużego problemu. Niskie różnice potencjałów (zorientowane bardziej na ochronę przed wpływem Słońca niż promieniowania galaktycznego) pozwalają rozmieścić sfery blisko siebie3, zaś w przypadku stacjonarnej bazy możliwa jest też modułowa rozbudowa systemu.
Wizja artystyczna. [Marvin Tatum]
Symulacja komputerowa cząstek promieniowania słonecznego dla koncepcji tarczy, złożonej z 10 sfer - czerwonymi punktami zaznaczone zostały elektrony, niebieskimi protony. Analysis of a Lunar Base Electrostatic Radiation Shield Concept [Buhler, 2004]
Odnotujmy, że skuteczna ochrona bazy lunarnej przed SPE ma większe znaczenie niż habitatów na Marsie, z uwagi na brak atmosfery. Księżyc oferuje przy tym mniej opcji wykorzystania rzeźby terenu. Oczywiście, w najbliższej przyszłości (Artemis Accords) żadna forma ekranowania aktywnego nie jest przewidywana, aczkolwiek wraz z rozwojem systemu Starship, NASA może niebawem zyskać zupełnie nowe możliwości planowania, nieograniczonego niewielkim tonażem pierwotnej specyfikacji lądownika (o wygraniu przez SpaceX kontraktu Human Landing System pisałem wcześniej tu).
Starship jako lądownik księżycowy (HLS) w ramach Artemis Accords – wizja artystyczna.
Starship w „wersji księżycowej” pozwoli dostarczyć każdorazowo około stu ton sprzętu, co powinno pozwolić – jeśli taka byłaby wola NASA – na przeprowadzenie eksperymentów z naładowanymi sferami w małej skali. Przy czym zastrzec trzeba, iż są to czyste spekulacje – brak obecnie sygnałów, wg których NASA rozważałaby zastosowanie tarcz elektrostatycznych na Księżycu. Można jednak argumentować, że jakichkolwiek planów trudno się na tym etapie spodziewać, ponieważ potencjał Starshipa „objawił się” agencji dopiero niedawno (w pierwotnej specyfikacji lądownika, opracowanej na potrzeby konkursu HLS, wymagane kryterium zabieranego na powierzchnię Księżyca cargo było kilkanaście razy mniejsze niż zaproponowała firma Muska). Prawdopodobnie skala programu Artemis jest obecnie pod tym kątem rewidowana.
W amerykańskim środowisku naukowym coraz częściej można się też spotkać z analizami wpływu nowego systemu nośnego SpaceX na szereg innych projektów badawczych i nie tylko – temu jednak zostanie poświęcony oddzielny wpis.
Na marginesie…
Pisząc ten oraz poprzednie artykuły, zapoznałem się z ponad setką opracowań naukowych na temat promieniowania kosmicznego, by następnie przełożyć zawarte w nich informacje na możliwie przystępny, ciekawy język – z reguły czytam przy dobrej kawie, dlatego jeśli chcesz zmotywować mnie do czytania i tym samym przyczynić się do powstawania wysokiej jakości treści, rozważ postawienie mi następnej filiżanki:
PS. Fundamentalną dla mnie sprawą jest jednak, by pewna rzecz była jasna: jeśli zastanawiasz się od czasu do czasu, czy stać Cię na latte z pianką, czy może lepiej odmówić sobie wyjścia do kawiarni i zamiast tego opłacić Netflix w terminie, akapit powyżej nie jest adresowany do Ciebie – nie chciałbym wywołać poczucia, że wywierana jest na Tobie jakakolwiek presja. Moje artykuły, w których omawiam zagadnienia związane z eksploracją kosmosu są i będą dostępne bezpłatnie.
Jeżeli natomiast obce są Tobie dylematy z kategorii Netflix czy Starbucks, a chcesz docenić czas, jaki został włożony w tworzenie dostępnych tu wpisów, link wyżej pozwoli Ci na sprezentowanie mi kawy BLIKiem lub w inny, preferowany sposób.
Chcąc osiągnąć blisko stuprocentową efektywność ochrony przed GCR, konieczne byłoby pole o potencjale wielu miliardów woltów, a to z kolei wymagałoby struktury o rozpiętości mierzonej w kilometrach, by nie występowały różne efekty niepożądane, jak chociażby niekontrolowane wyładowania elektryczne.
Przy konstrukcji każdego typu tarczy elektrostatycznej należy brać pod uwagę prawo Coulomba, wg którego siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi – w praktyce oznacza to, że wykorzystanie lekkich, delikatnych materiałów (o niskiej wytrzymałości mechanicznej) ogranicza możliwą moc tarczy.
